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コンクリート工学年次論文集 Vol.33

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コンクリート工学年次論文集,Vol.33,No.1,2011
論文
先付けタイルの変形追従性および剥離抵抗性
日比野
和樹*1・寺西
浩司*2・永井
伴英*3
要旨: 本研究では,先付け工法で張り付けられた外装タイルの変形追従性および剥離抵抗性に対する諸要因
の影響を調べるための実験を行った。その結果,1)タイルの変形追従性および剥離抵抗性は,横張りよりも
縦張りの方が高いが,このことは裏あしの方向に起因するものではない,2)タイル剥離時の下地コンクリー
トのひずみは,横張りの場合,コンクリート強度が高いほど増大する,などの知見を得た。また,本研究で
は,このほかに,先付けタイルの変形・剥離挙動を FEM により解析し,ディファレンシャルムーブメントの
発生機構やタイルの剥離機構などを明らかにした。
キーワード: プレキャストコンクリート,先付け工法,裏あし,ディファレンシャルムーブメント,FEM
1. はじめに
ては,鋼製型枠の内面にタイルを予めセットした状態で,
近年,高強度 PCa 柱の外装タイルが常時荷重下で剥落
表-2 および 3 に示す調合および使用材料のコンクリー
するケースがあることが指摘されている。このような背
トを流し込んだ。そして,恒温恒湿室内(温度 20℃)で
景から,筆者らは,これまでに,高強度 PCa 部材に先付
材齢 28 日まで密封養生した後に,試験体上面を研磨し,
けされた外装タイルの変形追従性および剥離抵抗性に
コンクリートおよびタイル表面の図-1 および 2 中に示
1)
ついて検討してきた 。しかし,種々の要因がこれらの
した位置にひずみゲージ(それぞれのゲージ長は 30 お
性能に及ぼす影響については未解明なままである。そこ
よび 5mm)を貼付して,試験に供した。
で,本研究では,タイル形状や下地コンクリートの強度
(3)試験方法
本実験では,圧縮試験機により 0.065N/mm2/s の比較的
などがより広範に変化した場合について実験的な検討
緩やかな速度で試験体に単調圧縮載荷し,その際のコン
を行った。
また,本研究では,このほかに,コンクリート柱に外
装タイル 1 枚を先付け工法で張り付けた単純なモデルに
記号
UH-A
H-A
H-B
N-A
対して FEM 解析を行った。そして,その結果を踏まえ,
ディファレンシャルムーブメントの発生機構やタイル
の剥離機構について考察した。本報では,これらの結果
を取りまとめて報告する。
2.実験
表-1 実験ケース
水セメント比(%)
15
25
54
タイル種類
50 二丁タイル
50 角タイル
50 二丁タイル
タイル
張付け
位置
2.1 実験概要
(1)実験ケース
表-1 に実験ケースを示す。本実験では,コンクリー
[単位:mm]
トの水セメント比を 3 水準に変化させた。また,タイル
図-1
試験体の概要
の種類および張付け方向(裏あしの方向)を実験要因と
した。
(2)試験体
本実験では,1 ケースにつき 3 個の試験体を用意した
(ただし,N-A の場合は 2 個とした)。図-1 に試験体
の概要を示す。試験体は無筋コンクリートの角柱とし,
図-2 に示すように,その両側面に磁器質の外装タイル
(厚さ 7mm,裏あし高さ 1mm)を横張りと縦張りで張
り付けた(目地幅 5mm)。また,試験体の作製にあたっ
(a)50 二丁タイルの場合
(b)50 角タイルの場合
■ひずみゲージ(ゲージ 4 および 5 は N-A のケースの
み貼付)
*破線は裏あしの位置および方向を示す。
図-2 タイルの張付けパターン
*1 名城大学大学院理工学研究科建築学専攻修士課程(正会員)
*2 名城大学理工学部建築学科
教授・博士(工学)(正会員)
*3 三重県建設資材試験センター (正会員)
-1397-
クリートおよびタイルのひずみを測定した。また,この
ほかに,試験体と同一条件で養生した供試体(φ10×
20cm)に対して材齢 28 日の時点で圧縮試験を行った。
2.2 実験結果とその考察
(1)コンクリートの強度特性
記
号
UH
H
表-4 に,コンクリートの圧縮試験結果を示す。
(2)コンクリートとタイルのひずみの関係
N
図-3 に,タイルとコンクリートのひずみの関係を示
表-2 コンクリートの調合
絶対容積 高性能
スラン
水セ プフロ 空気 粗骨材 単位
(ℓ/㎥)
AE 減
メン ー(スラ 量 かさ容 水量
セ
積
ト比 ンプ)
粗 水剤
メ 細
骨 骨
3
(%) (cm)
(%) (m3/m3) (kg/m3) ン
ト 材 材 (kg/m )
15 70±10 1.5
325 205 306 24
0.54
150
25 65±10 ±1.5
195 335 306
9
4.0± 0.62
54 (12±
180
106
323
351
2.5)
1.5
コンクリートの使用材料
仕様
同図から,コンクリートのひずみがある値に達すると,
UH,H シリカフュームセメント(密度 3.08g/cm3)
セメント
N 普通ポルトランドセメント(密度 3.16g/cm3)
タイルのひずみが急激に減少し,タイルに剥離・浮きが
岩瀬産砕砂(表乾密度 2.60 g/cm3,吸水率 1.54 %,
生じる様子がわかる。また,剥離するまでは,両者の関
細骨材
粗粒率 2.24)
係は直線的であるが,その傾きはほとんどのケースで 1
岩瀬産砕石(最大寸法 13mm,表乾密度 2.62 g/cm3,
粗骨材
吸水率 1.04 %,実積率 56.6%)
よりも小さくなっており,タイルは,コンクリートの変
高性能
形に対して常に一定の割合でしか追従していない。すな
ポリカルボン酸エーテル系
AE 減水剤
わち,ディファレンシャルムーブメントが生じている。
表-4 コンクリートの圧縮試験結果
以上の傾向を踏まえ,本研究では,図-4 に示すひずみ
圧縮強度
ヤング係数
記号
ポアソン比
伝達率によりタイルの変形追従性を評価し(値が 1 に近
(N/mm2)
(kN/mm2)
UH-A
154
42.5
0.21
いほど,タイルがコンクリートと一体になって変形し,
H-A
122
36.0
0.20
変形追従性が高い),また,剥離ポイントによりタイル
H-B
115
37.4
0.21
N-A
47.4
29.2
0.19
の剥離抵抗性を評価することとした。
す(1枚のタイルの試験結果をケースごとに例示する)
。
表-3
種類
(3)ひずみ伝達率
1.2
図-5 に,タイル中心(ゲージ 2)におけるひずみ伝
ひずみ伝達率
1.0
達率を示す(試験体ごとの 2 枚のタイルの平均値)
。同
0.8
図から,50 二丁タイル(記号「-A」のケース)の場合,
0.6
コンクリート強度が高いほど縦張りタイルのひずみ伝
0.4
達率が大きくなることがわかる。図-6 に,ひずみ伝達
0.2
率のタイル内での分布を示す(図-3 と同一のタイルの
試験結果)。同図から,横張り,縦張りのいずれの場合
図-3
図-4
タイルの変形追従性お
よび剥離抵抗性の評価
指標
タイルとコンクリートのひずみの関係
-1398-
0.0
横張り
縦張り
UH-A H-A H-B N-A
図-5
ひずみ伝達率
3 3000
-6
ンタ
クタイ
リイ ルひひ
ひ
ず
み
( 10 ) ))
ずず
みみ
( (×
コン
ンククリリ ー トひ
ひず
ずみ
み((× 10 ‐ 6))
3000
80
2 2000
2000
60
40
1000
1000
20
横張り
0
縦張り
UH-A H-A H-B N-A
(a)コンクリート応力
図-7
0
横張り
縦張り
UH-A H-A H-B N-A
横張り
0
も,タイルの端部ほど,ひずみ伝達率が小さく,コンク
リートの変形に追従していないことがわかる。
(4)剥離状況および剥離ポイント
本実験では,大半のケースで,載荷中に,タイルの周
囲のコンクリートにひび割れが発生し,最終的に,コン
クリートとの界面でタイルが剥離した。図-7 に,タイ
(c)タイルひずみ
22.5
横張り
0.0
-22.5
45.0
縦張り
22.5
0.0
-22.5
-45.0
0.0
ル中心(ゲージ 2)における剥離ポイントの応力および
ひずみを示す(試験体ごとの 2 枚のタイルの平均値)。
0.4
0.8
ひずみ伝達率
UH‐A
(a)タイルの張付け方向の影響
図-6
154
H-B のケースに着目すると,50 角タイルの場合,剥
縦張り
UH-A H-A H-B N-A
(b)コンクリートひずみ
剥離ポイントの応力およびひずみ
タイル中心からの距離(mm)
コ ン ク リ ー ト 応 力 (N/m m 2 )
100
H‐A
1.2
H‐B
N‐A
ひずみ伝達率のタイル内での分布
154
離ポイントの各測定値に張付け方向による大きな差違
ルの剥離抵抗性に大きな影響を与えないといえる。一方,
コンクリート
コンクリート
300
50 二丁タイル(記号「-A」のケース)の場合は,全体
300
は見られない。したがって,裏あしの方向の違いはタイ
として,縦張りの方が横張りに比べて剥離ポイントの各
測定値が大きくなっている。すなわち,剥離抵抗性が高
縦張りタイル
横張りタイル
くなっている。
(b)コンクリート強度の影響
155
155
(a)横張り
50 二丁タイルの場合のみに着目すると,剥離ポイント
図-8
のコンクリート応力およびタイルひずみは,タイルの張
(b)縦張り
解析対象
CL-Z
付け方向にかかわらず,コンクリート強度が高いほど大
[単位:mm]
CL-Z
きくなっている。一方,剥離ポイントのコンクリートひ
ずみは,横張りの場合にコンクリート強度が高いほど増
大するのに対し,縦張りの場合は逆の傾向になっている。
3.FEM 解析
CL-Y
CL-Y
CL-X
3.1 解析概要
CL-X
(1)解析モデル
本解析では,図-8 に示すような,50 二丁タイル 1 枚
(a)横張り
(b)縦張り
を横張りまたは縦張りで先付けしたコンクリート柱を
解析対象とした。そして,対象性を考慮してそれを 4 分
割した部分を図-9 に示すように要素分割した。その際,
タイルの裏あしは,図(c)に示すように幾何学的にモ
タイル
デル化した。また,タイルの目地深さは実験の場合と同
コンクリート
様に 3mm とした。
(2)解析方法
3 次元 FEM プログラム
2)
を用いて,前項に示した解
析モデルの変形挙動をシミュレートした。その際,まず,
-1399-
(c)タイル周辺(横張り)
図-9
要素分割図
コンクリートおよびタイルにひび割れが発生しないと
表-5
の仮定の基に逐次弾性解析を行い(n モデル),基本的な
変形挙動を確認した。次に,ひび割れの発生を考慮した
材料非線形解析を行い(c モデル),タイルの剥離挙動の
検討を行った。ただし,本解析の範囲では,ひび割れ発
生後のコンクリートおよびタイル要素の構成則の検証
が十分ではなかったため,c モデルに関しては,初期の
ひび割れの発生直後までを検討の対象とした。
材料特性値
コンクリート
H-A
N-A
種 別
圧縮強度(N/mm2)
ヤング係数(kN/mm2)
ポアソン比
引張強度*(N/mm2)
破壊エネルギー(N/mm)
122
36.0
0.20
6.21
0.117
タイル
47.4
29.2
0.19
3.40
0.085
109
64.4
0.17
17.5
*n モデルでは十分に大きな値とした。
(3)入力値
表-5 に材料特性値を示す。コンクリートに関する値
には,実験の H-A および N-A のケースの圧縮試験結
果を用い,文献 3)により引張強度を求め,土木学会式 4)
により破壊エネルギーを計算した。また,タイルに関す
る値は,文献 5)などに基づいて設定した。
(4)入力変形
コンクリート柱に対する単調圧縮載荷を想定し,解析
モデルの上端面に,解析ステップごとに,300×10-6 のコ
ンクリートひずみに相当する下向きの強制変位を与え
ていった。その際,解析モデルの上端面の水平方向変位
は拘束しなかった。
3.2 ひび割れの発生を考慮しない場合の解析結果
(a)横張り
図-10
(1)変形状況
(b)縦張り
変形状況(H-A)
図-10 に,n モデルにおけるタイル周辺の変形状況を
示す(H-A,初期ひずみ 1500×10-6 の時点)。同図より,
横張り,縦張りのいずれの場合も,コンクリートの圧縮
変形によりタイルの端部に曲げを伴う変形が生じてい
る様子がわかる。
(2)タイルとコンクリートの軸方向ひずみの関係
図-11 に,nモデルにおける,タイルとコンクリート
の軸方向ひずみの関係を示す。ここで,タイルのひずみ
(a)H-A
は中心位置の表面における値である。同図によると,両
者の関係は直線的であり,その傾きは 1 よりも小さくな
図-11
(b)N-A
タイルとコンクリートの軸方向ひずみの関係
っている。すなわち,実験結果に見られたような,ディ
ファレンシャルムーブメントが解析上で再現されてい
置では,分布にややばらつきがあるものの,全体として,
る。
初期ひずみ(1500×10-6)に近い値となっている。また,
また,関係線の傾きは,横張りと縦張りでは横張りの
タイルの表層に近くなるほど,全体として小さな値にな
ほうが小さくなっており,H-A と N-A のケースでは,
っている。さらに,タイル端部近傍のコンクリートに着
コンクリート強度の低い N-A の方が小さくなっている。
目すると,この領域には,他の部分に比べて非常に大き
すなわち,図-3 に示した実験結果と同様の傾向となっ
なひずみが生じていることがわかる。
ている。ただし,H-A と N-A の傾きの差(すなわち,
なお,以上のようなひずみ分布は,コンクリートより
ひずみ伝達率の差)は実験結果ほど顕著ではなく,この
ヤング係数の大きなタイルによってその下面周辺のコ
点については,今後さらに詳細な検討が必要である。
ンクリートの圧縮変形が拘束され,その結果として,タ
(3)軸方向ひずみの分布
イルとコンクリートにひずみ差が生じている状況を表
図-12 に, n モデルにおける軸方向ひずみの分布を
している。すなわち,下地コンクリートの圧縮変形に伴
示す(初期ひずみ 1500×10-6 の時点,CL-Y と CL-Z で構
うディファレンシャルムーブメントの発生メカニズム
成される面における値)。同図によると,いずれのケー
を表しているものと考えられる。
スの場合も,ひずみは,コンクリート中の比較的深い位
-1400-
図-13 に,タイル表面の軸方向ひずみの高さ方向の分
布を示す。同図によると,横張り,縦張りのいずれの場
合も,タイル端部ほどひずみが小さくなっている。すな
わち,図-6 に示したひずみ伝達率と同様の,コンクリ
ートからタイルへのひずみの伝達状況が FEM 解析によ
っても確認された。なお,このようなひずみ分布となる
のは,図-10 に示したように,タイルに曲げ変形が生じ
ているからである。
3.3 ひび割れの発生を考慮した場合の解析結果
c モデルに対する解析結果によると,H-A のケースで
は,横張り,縦張りのいずれの場合も,ひび割れは,初
期ひずみが 1200×10-6 の時点(4 ステップ目)で発生し
た。また,この時点では,図-14 に示すような,タイル
裏面近傍のコンクリートのひび割れと,タイル脇のコン
(a)H-A(横張り)
(b)N-A(横張り)
(c)H-A(縦張り)
(d)N-A(縦張り)
クリート表面のひび割れの 2 つのパターンのひび割れが
発生した。このうちの後者のひび割れは,タイルとコン
クリートのヤング係数の差,すなわち変形性能の差に起
因して発生したせん断ひび割れであると考えられる。
一方,前者のひび割れは,図(i)および(ii)から
わかるように,タイル裏あし近傍のコンクリートの一部
に,水平方向に帯状に連なって発生している。また,そ
のひび割れ面は,タイルが剥離するような方向となって
いる。さらに,ひび割れが発生した位置は,横張り,縦
張りのいずれの場合も,図-13 における,タイル表面の
ひずみが端部に向かって急激に減少し始める起点,すな
わち,図-10 に示したタイルの曲げ変形の,曲率が増大
し始める起点とほぼ一致している。
これらのことを踏まえると,下地コンクリートの圧縮
変形に伴うタイルの剥離現象は,タイル端部の曲げ変形
により下地コンクリートからタイルが浮き上がろうと
する力が最も大きい部分での剥離が起点となり進行し
ていくものと考えられる。なお,本解析では,タイル−
コンクリート界面での剥離現象を考慮していないが,仮
にこのことを考慮した解析を行えば,本解析でひび割れ
が発生した位置の近辺のタイル−コンクリート界面での
剥離が先行して生じる可能性が高いものと推察される。
図-12
軸方向ひずみの分布
また,図(i)によると,ひび割れは,横張りの場合,
タイル裏面の裏あしのない部分(凹部分)に生じるのに
対し,縦張りの場合は,裏あしの部分(凸部分)に発生
している。すなわち,ひび割れ(剥離)が初期に発生す
る位置は,詳細にみれば,タイルの張付け方向によって
異なっている。
4.まとめ
本研究では,先付けタイルの変形追従性や剥離抵抗性
に対する諸要因の影響を調べるための実験を行った。ま
た,ディファレンシャルムーブメントの発生機構やタイ
ルの剥離機構の解明を目的とした FEM 解析を行った。
-1401-
図-13
タイル表面のひずみの分布
[単位×10-6]
ひび割れ位置(ひび割れ面を直交
方向から見ている状況)
A B
(ii)A 面
(i)[CL-Y]-
(iii)B 面
(a)横張り
[CL-Z]の面
ひび割れ位置
(ひび割れ面を
平行方向から見
ている状況)
A
B
(i)[CL-Y]-[CL-X]の面
(ii)A 面
(iii)B 面
(b)縦張り
図-14
初期のひび割れの発生状況(H-A)
その結果得られた知見は,以下の通りである。
謝辞
(1)タイル剥離時のコンクリート応力は,コンクリー
本研究の実施に際し,名城大学理工学部建設システム
ト強度が高いほど大きくなる。また,タイルの変形追従
工学科・石川靖晃教授に解析プログラムを提供して頂い
性は,縦張りの場合にコンクリート強度が高いほど大き
た。ここに付記して感謝の意を表します。
くなる。
(2)タイルの変形追従性および剥離抵抗性は,横張り
参考文献
よりも縦張りの方が高い。ただし,このことは裏あしの
1)永井伴英,寺西浩司:超高強度 PCa 柱に先付けされ
方向に起因するものではない。
たタイルの変形追従性および剥離抵抗性,コンクリー
(3)下地コンクリートに圧縮変形が生じた場合,コン
ト工学年次論文集,Vol.32,No.1,pp.1259-1264,2010.7
クリートよりヤング係数の大きいタイルによってその
2)田辺忠顕:初期応力を考慮した RC 構造物の非線形解
析法とプログラム,技報堂出版,2004.3
下面周辺のコンクリートの変形が拘束され,その結果と
して,タイルのディファレンシャルムーブメントが発生
3)野口貴文,友澤史紀:高強度コンクリートの圧縮強
する。
度と各種力学特性との関係,日本建築学会構造系論
(4)下地コンクリートに圧縮変形が生じると,タイル
文集,No.472,pp.11-16,1995.6
端部の曲げ変形により,タイルが下地コンクリートから
4)土木学会:コンクリート標準示方書[構造性能照査
編],丸善,2002.3
浮き上がろうとする。そして,その力が最も大きな部分
5)添田智美,高山勝行,中山昌尚,佐々木仁:外装タ
がタイルの剥離の起点となる。
イル直張り工法の剥離防止性能に及ぼす目荒らしお
本研究の一部は,社団法人プレハブ建築協会 PC 建築
よび吸水調整材の影響
その 1
単調圧縮載荷によ
るひずみ追従性試験結果,日本建築学会大会学術講
部会からの委託を受けて実施したものである。
演梗概集,A-1,pp.105-106,2008.9
-1402-
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